Фамилия Земрау — редкий случай в русском ономастиконе, и её происхождение ведёт не в славянскую, а в немецкую среду. В основе лежит немецкая фамилия Semrau или Semraw, которая, в свою очередь, восходит к древневерхненемецкому личному имени Sigimar (от sigu — «победа» и mari — «знаменитый»). При переходе в русскую языковую среду имя или прозвище подверглось адаптации: начальное «S» стало «З» (по звонкости, как в заимствованиях «Зигфрид» или «Зальцбург»), а конечное «au» (читается как «ау») превратилось в «ау» — на слух для русского уха это звучало как «Земрау». Таким образом, фамилия не имеет ничего общего с русским словом «земля» или «рай» — это чисто фонетическое совпадение.

Носители фамилии Земрау в России — это, как правило, потомки немецких колонистов, приглашённых Екатериной II в XVIII веке для освоения Поволжья. Немцы-меннониты и лютеране селились компактными общинами, и фамилия Semrau была там нередкой. После депортаций 1941 года и последующих миграций фамилия распространилась по Сибири, Казахстану и Уралу, где и сегодня встречается у русскоязычных людей немецкого происхождения. В дореволюционных метрических книгах саратовских колоний можно найти записи о крестьянах-собственниках с этой фамилией.

Словообразовательная модель проста: это не русифицированная фамилия с суффиксом -ов или -ин, а прямое заимствование в исходной форме. В русском языке она склоняется как существительное мужского рода (Земрау, Земрау, Земрау), что типично для фамилий на гласный. В отличие от многих немецких фамилий, которые обрусели до «Земрауов» или «Земрауевых», этот вариант сохранил оригинальное окончание, что указывает на относительно позднюю фиксацию в документах либо на сознательное сохранение этнической идентичности.

Встречаются варианты написания: Семрау, Земрау, реже — Зимрау. Последний может быть результатом диалектного произношения или описки в паспортных столах. Поскольку фамилия редкая, её носители часто знают о своих немецких корнях, но точная генеалогия требует обращения к архивам поволжских колоний — например, к спискам поселенцев в Самарской или Саратовской губерниях.